自动化、智能化-钻井技术发展大趋势

自动化、智能化——钻井技术发展的大趋势2前言汽车制造业先进的生产线早已实现了自动化、无人化。汽车驾驶在澳大利亚一些大型矿山，自动装卸重卡早就实现了无人驾驶。国内外公路小骄车无人驾驶已经试验成功。4航空业大型民航客机可以全程自动飞行，只是出于安全考虑，起飞和降落仍由飞行员操作。5航天业飞船（神舟）与空间站（天宫飞行器）能够自动交汇对接。6军事领域美军无人机已投入实战。最近在航母上起飞、降落试验取得了成功。7在众多行业的自动化、智能化和无人化大潮的推动下，石油钻井也在朝着自动化、智能化方向迈进，只是要滞后很多。一、钻井自动化现状二、钻井智能化趋势三、钻井无人化前景四、结论与建议汇报内容9钻井自动化主要由地面自动化、井下自动化、钻井信息化构成。一、钻井自动化现状钻井信息化地面自动化井下自动化10钻机自动化设备自动化钻机井口自动化设备，比如铁钻工配备自动送钻设备的一体化司钻控制室顶部驱动装置自动排管设备自动猫道或管具自动传送装置等海洋自动化钻机

（双作业钻机）陆地自动化钻机多参数测量仪或综合录井仪地面自动化1、地面自动化地面自动化——陆地自动化钻机NOV的RAPID钻机为提高钻井效率和安全性，设备制造商推出了一些陆地自动化钻机。中深井钻机钻深能力3600米（12000ft）井架高度24米，可以处理单根钻杆电驱动钻机顶驱铁钻工全自动井口设备全自动钻杆处理装置一体化司钻控制室美国H&P公司FlexRig钻机(就在用钻机数而言，是美国最大的陆地钻井承包商)美国Patterson-UTI钻井公司APEX®钻机国外一些大的钻井承包商也根据自身需要定制了一些陆地自动化钻机。地面自动化——陆地自动化钻机地面自动化——陆地自动化钻机与普通陆地钻机相比，自动化陆地钻机可明显提高作业效率。美国H&P公司和加拿大Ensign能源服务公司陆地钻机概况概况美国H&P公司（2012年底）加拿大Ensign能源服务公司（2012年底）陆地钻机数273台（在美国，大约一半用于开发页岩气、页岩油）299台电驱动钻机占比100%交流变频电驱动钻机占比87%顶驱配置率100%自动化钻机占比93%(FlexRig)37%(ADR®)最具代表性的海洋自动化钻机是双作业钻机，其主要特点是正常钻进、起下钻、下套管、固井等常规作业由主钻机完成，组装拆卸钻柱、下放隔水管柱、下放与回收水下器具等辅助作业由辅钻机完成，主辅作业可以同步进行，可显著提高钻井效率，缩短钻井周期。双作业钻机市场几乎被NOV和挪威AkerSolutions公司所垄断。地面自动化——海洋自动化钻机荷兰Huisman设备公司设计了一种结构独特的双作业钻机——多功能箱式钻塔。地面自动化——海洋自动化钻机HuisDrill12000型钻井船Noble钻井公司已建造了4艘配备多功能箱式钻塔的深水钻井船，其中2艘的额定作业水深高达3657米，另2艘的额定作业水深为3048米。JBF14000型半潜式钻井平台（额定作业水深14000英尺，合4267.2米）应用现状双作业钻机已在深水浮式钻井装置（深水半潜式钻井平台和深水钻井船）上得到广泛应用，已经成为深水钻井利器。未来展望展望未来，双作业钻机将成为深水浮式钻井装置的标配钻机。在技术上，双作业钻机将得到进一步发展，结构将更加多样化，钻深能力、自动化水平、作业效率和安全性将进一步提升，有力地推动未来深水油气勘探开发。地面自动化——海洋自动化钻机地面自动化——钻机自动化设备一体化司钻控制室铁钻工自动排管设备钻机自动化设备井口自动化设备，比如铁钻工配备自动送钻设备的一体化司钻控制室顶部驱动装置自动排管设备自动猫道或管具自动传送装置等多参数测量仪或综合录井仪井下

自动化MWD、LWD、近钻头地质导向仪自动垂直钻井系统旋转导向钻井系统2、井下自动化随钻地震（井下“眼睛”）（井下“望远镜”，有助于实现随钻前探）（井下“方向盘”）国际定向钻井市场构成自动垂直钻井系统能够自动钻成垂直井眼，是高陡构造的克星，高难度直井钻井的利器。在此基础上发展起来的旋转导向钻井系统，是定向钻井技术的一次革命，也是当今石油钻井行业一项最尖端的井下技术，已成为水平井和大位移井钻井的重要利器。经过10多年的发展，其应用规模不断扩大，越来越多地取代常规定向钻井，国际市场份额已占国际定向钻井市场的1/3。为适应高效开发页岩气等非常规油气的需要，斯伦贝谢和贝克休斯公司相继推出了高造斜率旋转导向钻井系统，其最大造斜能力范围15°—18°/30米，可缩短造斜井段的长度，从而缩短靶前距，增加水平段长度，有利于提高油气产量。斯伦贝谢的PowerDriveArcher系统贝克休斯的AutoTrakCurve系统造斜段+水平段钻井进尺造斜段+水平段钻井用时对比案例116口页岩气水平井造斜段+水平段一趟钻完钻，平均钻井周期锐减40%以上2012年Marcellus页岩气产区贝克休斯公司的AutoTrakCurve系统造斜段+水平段的平均钻井进尺从1813.8米增加到了2508.5米。平均钻井用时从15.8天减至7.6天，锐减51.9%，均实现了“造斜段+水平段”一趟钻完钻。平均日进尺从114.5米/日增至328.7米/日，提高178%。加上直井段钻井用时，平均钻井周期锐减40%以上。案例2一口大约4019米深的水平井，二开“直井段+造斜段+水平段”一趟钻完钻2012年初EagleFord页岩气水平井中（一口三维水平井，造斜井段的设计造斜率为8°/30米）贝克休斯公司6-3/4英寸AutoTrakCurve系统，长度11.58米，最大造斜率15°/30米8-3/4英寸PDC钻头一次下井钻开表层套管的套管鞋，从801.9米钻至总井深4019.7米，共钻进3217.8米，实现了二开“直井段+造斜段+水平段”一趟钻完钻，减少了两次起下钻。共用时5.95天，平均机械钻速27.43米/小时，比邻井缩短2.5天。2013年初EagleFord页岩气水平井斯伦贝谢公司6-3/4英寸PowerDriveArcher，长度5.06米，最大造斜率15°/30米为页岩层定制的8½英寸SpearSDi513钢体PDC钻头一趟钻完成进尺3277.8米，实现了二开“直井段+造斜段+水平段”一趟钻完钻平均机械钻速16.76米/小时钻井用时8天，比邻井节省4天时间案例3一口大约4527米深的水平井，二开“直井段+造斜段+水平段”一趟钻完钻大约1250米未来展望

迄今为止，在美国页岩气钻井中，“造斜段+水平段”一趟钻已经司空见惯，“直井段+造斜段+水平段”一趟钻还只是个案，但它能够简化井身结构、缩短钻井周期和降低钻井成本，因此我们认为，它代表着水平井钻井技术未来的一个发展方向。随着钻头、钻井液、旋转导向钻井等技术的不断发展，相信“直井段+造斜段+水平段”一趟钻完钻未来有望成为主流。只用两只钻头钻井

信息化钻井工程软件包远程实时作业中心井下实时信息地面实时信息多学科专家团队

钻前方案设计

钻中决策支持通过远程实时分析，实时优化调整作业方案，比如实时优化地质导向；预判即将发生的井下复杂情况或钻井事故，及时采取措施防患于未然，降低作业风险，减少非生产时间，缩短钻井周期；对已发生的井下复杂情况或钻井事故进行快速、恰当的处理；减少专家长途奔波，提高决策效率和质量，减少现场作业人员，提高作业安全性。

钻后评估

降低综合成本远程实时作业中心是钻井信息化的重要组成部分。3、钻井信息化贝克休斯壳牌在全球有6个远程实时作业中心斯伦贝谢在全球共建了10多个远程实时作业中心。这是一个工厂化钻井专家团队哈里伯顿国际油公司和技术服务公司在全球建立了多个远程实时作业中心。远程实时作业中心是钻井信息化的一个重要组成部分，正发挥越来越重要的作用。壳牌、斯伦贝谢、威德福、NOV等公司正在开发更加智能的下一代自动化钻井软件包，将更好地支持自动化钻井，进一步推动钻井智能化。汇报内容一、钻井自动化现状二、钻井智能化趋势三、钻井无人化前景四、结论与建议二、钻井智能化趋势钻井智能化主要由地面智能化、井下智能化和智能钻井专家系统构成。智能钻井专家系统地面智能化井下智能化一口井的起下钻时间大约占钻井周期的25%，如能提高起下钻速度，则可缩短钻井周期。为此，挪威WeST钻井产品公司设计了一种管柱连续运动钻机（ContinuousMotionRig，简称CMR钻机）。三单根立柱额定起下钻速度3600米/小时双单根立柱额定起下钻速度2700米/小时单根定额起下钻速度1800米/小时1、地面智能化主要特点

配备机器人，自动化程度很高，不需要钻台工和井架工；

连续起下钻，额定起下钻速度3600、2700、1800米/小时，而常规起下钻速度只有600—900米/小时；

连续下套管，额定下套管速度900米/小时。

连续钻进；

连续循环，有利于实施控压钻井，提高作业安全性。这种新型钻机有望大幅度缩短钻井周期，一旦投入商业应用，无疑将是钻机技术的一次重大突破，将钻机自动化和智能化水平提升到一个新高度。2、井下智能化超级钻头或智能钻头井下高速、大容量信道井下智能导向钻井系统智能钻井液井下

智能化井下智能化——超级钻头或智能钻头井下智能化——智能钻井液未来的智能钻井液将基于纳米添加剂，拥有更广的地层适应性，具备自主稳定井壁、自主堵漏等多种自主功能，更好地保护储层和维持井筒完整性。未来的超级钻头在高效辅助破岩方法的支持下，破岩效率更高。未来的智能钻头，不仅破岩效率高，还携带传感器，能够实时监测钻井工程参数、钻头工况，实时测量钻进中的地层。哈里伯顿正在开发一种带地质导向仪的钻头，可以随时防止钻头在薄储层或特殊复杂地层里面通天或穿底。井下智能化——井下高速、大容量信道目前应用最广的井下信息传输方式是泥浆脉冲和电磁波。经过数十年的发展，它们的数据传输速率不断提高，目前最大的数据传输速度分别达到36比特/秒和数十比特/秒，依然不能很好地满足需要，因此需要发展井下高速、大容量信道。NOV“软连接”智能钻杆(商业化应用)

在钻杆中预埋电缆；

钻杆接头之间的电缆通过电磁感应实现电缆“软连接”；

信号在传输过程中有衰减，需要每隔350～450米安装一个信号放大器（中继站）；

数据传输速率高达5.76万bps，而且不受流体类型的限制；

地面、井下构成一个宽带网络，实现全井筒实时监测。井下智能化——井下高速、大容量信道美国Fiberspar公司有缆复合材料连续管（智能连续管）

内置电力线，向井下供电；

内置信号线，数据高速、双向传输；

耐腐蚀；

重量轻，运输方便；

成本低。井下智能化——井下高速、大容量信道Reelwell管中管（试验中）

管中管充当同轴电缆，向井下供电，高速传输数据（6.4万bps）

双向通讯未来展望井下信道将向多样化、高速、大容量、高可靠方向发展，根本解决井下数据的传输问题，很好地满足随钻地层压力测试、随钻地层评价、随钻地质导向和井下自动化的需要。井下智能化——井下智能导向钻井系统未来的井下智能导向钻井系统是当今旋转导向钻井系统的升级换代产品，其主要特点包括：

随钻测井功能更强，并有随钻前探能力；

随钻取样及实时分析；

通过智能钻杆实现数据的高速、双向传输；

旋转闭环导向；

智能三维导向：具备所有定向钻进功能，自动引导钻头向“甜点”钻进。3、智能钻井专家系统未来的智能钻井专家系统将地面智能化和井下智能化组成一个有机整体，实现大闭环控制，统一指挥，协调行动。未来以智能钻井专家系统为核心的远程实时控制中心，将具有更强大的功能、更高的智能化水平、更强的自主学习和自主决策能力，并具有一定的远程控制能力，大幅度减少现场人员，显著提高钻井效率和安全性，降低综合成本。云计算人工智能远程控制……智能钻井专家系统远程实时控制中心汇报内容一、钻井自动化现状二、钻井智能化趋势三、钻井无人化前景四、结论与建议

獾式钻探器——无钻机钻探

主要靠自身重量施加钻压

通过电缆向井下供电

数据高速、双向传输

井下电动钻具

自埋式（不用钻机、泥浆和钻杆，不用水泥固井）

适用于油气勘探和永久监测在近海油气生产中，现已大量应用无人值守的生产平台。随着钻井自动化、智能化水平的不断提升，以及机器人技术、信息技术、远程控制等技术的发展，钻井无疑也将向无人化方向发展。目前国外在研或设想的无人化钻井系统主要包括：獾式钻探器、机器人钻井系统和海底钻机。三、钻井无人化前景研发中的机器人钻井系统挪威机器人钻井系统公司与美国国家